鋼材の寿命予測方法、鋼材及び構造物の設計方法
【課題】 各種鋼材の長期の腐食量を短期の腐食データにより高精度に予測することを可能にした鋼材の寿命予測方法、その鋼材及び構造物の設計方法を提供する。
【解決手段】 構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、前記Ａ値を構造物の設置箇所における暴露試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求める。
【解決手段】 構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、前記Ａ値を構造物の設置箇所における暴露試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造用鋼材特に耐候性に優れた鋼材の寿命予測方法、その鋼材及び構造物の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築・土木分野で使用される鋼材として、ＳＳ、ＳＭと呼ばれる普通鋼とともに、無塗装で使用されるＳＭＡと呼ばれる耐候性鋼があり、最近ではＮｉ系高耐候性鋼等がある。これらの材料を用いた構造物の適用基準は、これまでには
(１）飛来海塩による地域区分 耐候性鋼
(２）鉄骨構造建築物の耐久性向上技術 普通鋼
(３）当該鋼種の暴露試験 任意の鋼種
(４）腐食量予測式 耐候性鋼
等があり、これらは必要に応じて使い分けられている。
【０００３】
上記の（１）及び（２）は従来の暴露結果を纏め上げたもので、適用可否判断が瞬時に可能である。上記の（３）の暴露試験による鋼材の腐食量は、
Ｙ＝ＡＸB、Ｙ：腐食量、Ｘ：年数
の式で表されることが知られている。その腐食量のしきい値Ｙ1imを設定することにより、そのときのＸ1im年を寿命とする方法である。腐食寿命の判断の目安は、例えば１００年の推定片側板厚減少量が０．５mm以下である。この式のＡ、Ｂは環境や鋼種によって変化するため、Ａ、Ｂを決定するために、実環境又は実環境に近い環境に試験片を暴露し、試験片の腐食量の経年変化（Ｘ，Ｙ）から累乗近似する方法が用いられている。
【０００４】
ところで、腐食速度は、海塩量や亜硫酸ガス量によって影響を受けることが多数の文献に示されている。また、腐食現象は基本的には水溶液中の化学反応であるので、気温、湿度や、濡れ時間にも依存する。したがって、これらの環境因子をパラメータとする関数として記述することができる。
【０００５】
上記の（４）の予測方法に関して、建設省（当時）土木研究所においては、ＳＭＡ（ＪＩＳ規格の耐候性鋼）に関し、暴露試験の結果から、上記のＡ，Ｂを次のように決定している（例えば非特許文献１）。
Ａ＝ＣＳaγ Ｓa：飛来塩分量、Ｃ，γ：回帰係数
Ｂ＝０．７３
即ち、Ａは飛来塩分と相関があるとし、Ｂは鋼種・暴露方向、設置場所等によらず０．７３としている。
【０００６】
また、上記（４）の予測方法に関して、例えば次のように求める方法も提案されている（例えば特許文献１）。この方法では腐食性指標Ｚの２次回帰式から初年度腐食量を推定している。
Ｚ=α・ＴＯＷ・exp（-κ・W）・（C+δ・S）/（1+ε・C・S）・exp（-Ea/RT）
α＝106, κ＝-0.1, δ＝0.05, ε＝10.0, Ea＝50ｋJ/mol・K
Ｚ：腐食性指標，R：気体定数, C：飛来塩分, S：硫黄酸化物量,
TOW：年間濡れ時間（ｈ）、W：年平均風速（ｍ/sec），Ｔ：年平均気温（Ｋ）
【非特許文献１】「耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書(XVIII)」（建設省土木研究所，（社）鋼材倶楽部，（社）日本橋梁建設協会、平成５年３月発行）
【特許文献１】国際公開03/006957号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来の寿命予測方法の内、上記の（１）及び（２）の方法は鋼種が限定される上、或る時点でのその材料の適用可否を判断するだけであって、鋼種の選定は出来なかった。一方、上記の（３）の方法は、各鋼種の調査を行なうことによって鋼種の選定が可能である。しかしながら、新たな高耐候性を有する鋼が開発された場合には、開発後にただちに暴露試験を長期間種々の場所で行って、検量線あるいは式を作成しなければならない。また、上記の（３）の方法では、未知数Ａ，Ｂ２つを決定するために、最低２点以上の腐食量データが必要である。日本では四季があり、腐食は季節によって進行速度が異なるために、最低２年間の計測を必要とする。更に、近年、土木建築用鋼材の長寿命化が叫ばれており、例えば１００年といった長期寿命を精度よく予測するには、実質５〜２０年といった長期試験を行なっており、実際に用いられるまでに時間がかかるという課題があった。また、上記の（４）の寿命予測方法においては、架設地の環境の影響は取り入れて式を構成しているものの、長期の暴露試験が必要であり、更に、非特許文献１の方法ではＢを一定としているので、さびの保護性に必要な飛来塩分量や鋼種の影響が反映されていない、という問題点があった。
【０００８】
また、上記の特許文献１において提案されている方法では、 Ｓ（硫黄酸化物量）を予測式のパラメータとしているが、Ｓ（硫黄酸化物量）と板厚減少量との間には有意な相関が見られないことが知られている。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、各種鋼材の長期の腐食量を短期の腐食データにより高精度に予測することを可能にした鋼材の寿命予測方法、その鋼材及び構造物の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地における暴露試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求める。
【００１１】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地の環境を模擬した実験室での試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求める。
【００１２】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記Ａ値を次式により表現し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求める。
Ａ＝ＣＳaγ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｈ：相対湿度（％），Ｓａ：飛来塩分量（mdd），
Ｐw（Ｔ，Ｈ）：濡れ確率、α，β，γ：鋼種に応じて設定された係数
【００１３】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び濡れ確率Ｐwとによって前記Ａ値を求める。
【００１４】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記Ａ値を次式により特定し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求める。
Ａ＝ｋ（α・Ｔ＋β）・ＴＯＷ・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｓa：飛来塩分量（mdd），
ＴＯＷ：年間濡れ時間（ｈ）、ｋ：係数、
α，β，γ：鋼種に応じて設定された係数
【００１５】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、及び年間濡れ時間ＴＯＷとによって、前記Ａ値を求める。
【００１６】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記実験室での試験に基づいて求められたＡ値を補正して前記腐食量予測式のＡ値とする。
【００１７】
本発明に係る鋼材は、上記の寿命予測方法により寿命が予測された鋼材であって、腐食の進行を予測したデータが添付されているものである。
【００１８】
本発明に係る鋼材において、各部位の腐食の進行を予測したデータが板厚減少量である。
【００１９】
本発明に係る構造物の設計方法は、上記の鋼材から実構造に適用する鋼材を選定し、設計する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、短期間の暴露試験又は実験室での実験により腐食量予測式の材料特性及び環境特性に関するデータ（Ａ値及びＢ値）を算出できるようにしたので、短期間の測定により腐食量予測ができるようになった。更に、短期間で腐食量の予測ができるので、各種鋼材選定の信頼性が向上し、構造物の最適設計を図ることができ、また、メンテナンス費用を最小に押さえ込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施形態１．
本発明の実施形態１として、鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）のＡ値，Ｂ値を短期間の暴露試験により求めて、鋼材の寿命予測をする予測方法を説明するが、それに先だって、まず、本実施形態１に係る寿命予測方法の計測原理を説明する。
図１は期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係を示した特性図であり、腐食寿命の判断の目安は、例えば１００年の推定片側板厚減少量が０．５mm以下である。この期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係は、上述のように次式により表される。なお、Ａ値はその環境での鋼材自体の耐食性を示しており、Ｂ値はさびの保護性を表している。鋼材の耐食性が高ければ図１の特性の初期の傾きは小さく、さびの保護性が高ければ腐食量Ｙの長期の年数経過後の値は小さな値を示す。
Ｙ＝ＡＸB、Ｙ：腐食量、Ｘ：年数 …（１）
【００２２】
図２はＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＡ値の特性図である。上記の（１）式において、Ｘ＝１のときに、Ｙ＝Ａとなるため、Ａ値は１年分の板厚減少量（腐食量）に相当するものであり、図２の縦軸のＡ値（１年）は１年分の板厚減少量により求められたＡ値を示している。また、横軸のＡ値（〜９年）は暴露試験を９年間行ったときに、各経過年の板厚減少量に基づいて求められたＡ値を示している。図２の特性から明らかなように、暴露期間が９年の試験データによって求められたＡ値（Ａ値（〜９年））と、暴露期間が１年の試験データによって求められたＡ値（Ａ値（１年））とは相関があり、Ａ値は短期間の暴露試験により算出が可能であることが分かる。したがって、本実施形態１においてはＡ値を短期間の暴露試験により算出するものとする。
【００２３】
図３はＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＢ値の特性図であり、暴露期間が９年の試験データによって求められたＢ値と、暴露期間が１年の試験データによって求められたＢ値との相関関係を示している。図３の特性から明らかなように、暴露期間が９年の試験データによって求められたＢ値と、暴露期間が１年の試験データによって求められたＢ値とは相関がなく、Ｂ値は短期間の暴露試験により算出ができないことが分かる。
【００２４】
図４はＳＭＡ実暴露の試験データ（９年間）により求めたＡ値とＢ値との相関関係を示した特性図ある。この特性図からＢ値はＡ値で回帰することができ、極小値をとる次の３次式で表現される。なお、Ａが小さいところでも、長期になれば、さびが成長し、B値が小さくなっていくことから、独自の解析により、
Ａ≦０．０３のとき、
Ｂ＝０．５〜０．７、望ましくは０．６（理論的には放物線則0.5乗と考えられ
るが、実際に形成れるさびは完全に緻密でないため、０．５〜０．７で変
動する。）
０．０３＜Ａ＜０．０８３のとき、
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ＋１．０１０９
０．０８３≦Ａのとき、
Ｂ＝０．９〜１．１、望ましくは１ …（２）
なるＳ字の関係が、成り立つことを見出した。
ただし、より簡便とするためにＡ≦０．０３のときにおいても
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ＋１．０１０９
としてもよい。
【００２５】
上記のＡ値はその環境での鋼材自体の耐食性を示す係数であるが、腐食環境にも依存する性質をもっており、腐食環境の影響はＡ値にも含まれている。Ａ値が小さい範囲では、安定さびが形成されるためＢ値は一定値となるが、腐食環境の厳しさがある量を超えると（例えばＡ＝０．０３程度）、さびが剥がれやすくなり安定化しないためＢ値は上昇し、Ｂ＝１となって腐食曲線は直線のままとなる。但し、Ａ値が小さい範囲において、暴露年数が短い鋼材ではさびの生成量が少ないため保護効果が小さく、Ｂ値が高い値となる場合もある。このＳＭＡのデータに鋼種１（１．５Ｎｉ−０．３Ｍｏ鋼）及び鋼種２（２．５Ｎｉ−極低Ｃ鋼）の実暴露の試験データ（２年間）をプロットすると、この場合においても上記の関係式と合致していることが分かる。したがって、この関係式から鋼種に関係なく、Ｂ値をＡ値から求めることが可能であることが分かる。
【００２６】
したがって、本実施形態１においては、或る鋼種のある環境における腐食寿命の予測を行う場合には次の（ａ）〜（ｄ）の処理により寿命予測を行う。
（ａ）構造物の架設地又は建設地において例えば１年間の暴露試験を行う。
（ｂ）その暴露試験の結果（腐食量）からＡ値を求める。
（ｃ）上記Ａ値を上記の関係式（（２）式）に当てはめてＢ値を求める。
（ｄ）上記のＡ値及びＢ値を鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸBに適用して、Ｘ年後の腐食量を求める。
このように処理することにより、１年間程度の暴露試験で腐食寿命の予測が可能となる。
【００２７】
図５は種々の飛来塩分量の異なる環境で実施した暴露試験結果から、鋼種１（１．５Ｎｉ−０．３Ｍｏ鋼）及び鋼種２（２．５Ｎｉ−極低Ｃ鋼）について、Ａ値及びＢ値を求めて鋼材の腐食量予測式に当てはめて、その飛来塩分量の環境における１００年後の板厚減少量を予測した結果を示した特性図である。同図から、１００年推定板厚減少量が０．５mmとなる飛来塩分量、すなわち耐塩限界が以下のように求まる。この耐塩限界を超えると両鋼材とも急激に腐食量が増加している。
鋼種１＝０．４mdd（：mg/dm2/day）、鋼種２＝０．６mdd
【００２８】
このように、その鋼種の適用限界の腐食環境も推定することが可能となる。また、Ｙ＝ＡＸB に、Ｘ＝１００年、Ｙ＝０．５mmを代入してＡ値を求めると、Ａ＝０．０３が得られる。すなわち、その環境での１年の板厚減少量０．０３mmが、適用可否判断の目安となることも分かる。
【００２９】
以上のように、本実施形態１においては、例えば１年間の暴露試験によりＡ値を求め、更にそのＡ値を上記の関係式（（２）式）に適用してＢ値を求め、更に、これらＡ値及びＢ値を上記の鋼材の腐食量予測式（（１）式）に適用してＸ年後の腐食量Ｙを予測することができるようになったので、短期間の暴露試験で腐食量を高精度に予測することが可能になっている。
【００３０】
実施形態２．
上記の実施形態１においては、Ａ値を実暴露試験のデータに基づいて求める例について説明したが、本実施形態２においては、主として、実験室での試験によって求めるようにしている。したがって、本実施形態２においては、上記の（１）式及び（２）式はそのまま用いるが、Ａ値は種々の環境因子の関数として次の（３）式のように表現するものとする。即ち、Ａ値を、鋼種に特有な係数α、β、γと環境データ（Ｓａ，Ｔ，Ｐw（Ｔ，Ｈ））とによって表現しており、鋼種に特有なα、β、γが求められれば、架設地又は建設地の環境データを当てはめることで自動的にＡ値が求まることになる。
Ｙ＝Ａ・ＸB …（１）
Ｂ＝ｆ（Ａ）：
Ａ≦0.03のとき、Ｂ=0.6（０．５〜０．７の範囲内で設定）
0.03<Ａ<0.083のとき、
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ
＋１．０１０９
0.083≦Ａのとき、Ｂ＝１（０．９〜１．１の範囲内で設定） …（２）
ただし、より簡便とするめにＡ≦０．０３のときにも
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ
としてもよい。
Ａ＝ＣＳaγ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ） …（３）
Ｘ：暴露時間（ｙ），Ｙ：板厚減少量（mm）
Ｔ：温度（℃），Ｈ：相対湿度（％），Ｓａ：飛来塩分量（mdd），
Ｐw（Ｔ，Ｈ）：濡れ確率、α、β、γ：鋼種に応じて設定された係数
【００３１】
上記（３）式において、温度Ｔに関する項は、実際の対象となる温度範囲が比較的狭いので、直線近似にしてある。また、湿度Ｈに関する項は、腐食量が濡れ時間に比例すると考え、KuceraらがＩＳＯに提案した濡れ確率関数を導入した（Kucera, Tidblad, Mikhailov: ISO/TC156/WG4-N314, Annex A (1999)）。年間の濡れ時間は８７６６ｈ×（濡れ確率）である。なお、この濡れ確率Ｐｗ（Ｔ，Ｈ）は、kuceraの式によると、濡れ確率Ｐw（Ｔ，Ｈ）＝N (T；0；9.96)*β(H/100；4.67；1.78)で表される。
【００３２】
また、濡れ確率Ｐw（Ｔ，Ｈ）と年間濡れ時間TOWとは、
TOW＝8766×Ｐw（Ｔ，Ｈ）
で表されるから、上記（３）式は年間濡れ時間TOWの関数として次のように表される。
Ａ＝ｋ（α・Ｔ＋β）・ＴＯＷ・（Ｓaγ） …（３ａ）
ＴＯＷ：年間濡れ時間（ｈ）、ｋ：係数
【００３３】
なお、上記の温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び飛来塩分量Ｓaは、例えば橋梁が設置される環境の値である。飛来塩分量Ｓaには、その環境での風の影響や方向（どの方角を向いているか）、橋桁の高さ等の影響が含まれた値であり、事前に測定されたものである。例えば日本のある地点（緯度・経度又は住所）を決定すれば、その位置情報に対応した温度Ｔ、相対湿度Ｈ、飛来塩分量Ｓaを求めることができる。例えば地点情報と温度Ｔ、相対湿度Ｈの気象庁データ平年値とが既にデータベース化されており、それらのデータベースを利用することにより必要な情報が得られる。また、飛来塩分量Ｓaについては、約３００地点での測定データを集約した関係式（各地方の飛来海塩量・離岸距離の関係。具体的にはＳa＝Ｓa0・Ｌ-0.6、Ｌ：離岸距離）があり、この関係式を用いることにより、該当地点における飛来塩分量Ｓaを求めることができる。なお、これらのデータをデータベースから入手できない場合には、該当する地点において実測により求めてもよい。このようにして、該当する地点における温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び飛来塩分量Ｓaを求めることができるので、係数α、β、γを実験室での試験で決定することができれば、Ａ値が求まり、Ｂ値はＡ値の関数であり、Ｙ＝ＡＸBによりＹ（板厚減少量）を求めることができる。
【００３４】
次に、上記のγの求め方について説明する。上記のγは、Ａ≦０．０３とＡ＞０．０３とではその値が異なる。Ａ≦０．０３のときには、例えばＳＭＡに関しては、図６の暴露試験結果（「耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書(XVIII)」（建設省土木研究所，（社）鋼材倶楽部，（社）日本橋梁建設協会、平成５年３月発行）によれば、γ＝０．４８７が得られている。また、Ｎｉ系耐候性鋼については発明者らが独自に暴露試験を行ったところ、図７に示される特性が得られ、γ＝０．４８７が得られている。両データが一致しており、信頼性が高いものであることが分かる。よって、Ａ≦０．０３では鋼種によらずγ＝０．４９で一定値とした。
【００３５】
また、Ａ＞０．０３のときの上記のγは、恒温恒湿槽（ADVANTEC製 AGX-325）内での乾湿繰り返し試験により決定した。周期は２４ｈで、乾湿サイクルは次の６条件である。乾湿の移行時間は１ｈであり、これは１２ｈの中に含まれる。塩分付着はマイクロピペットを用いてＮａＣｌ水溶液を滴下した。滴下量は４０μＬ／ｃｍ2とし、水溶液濃度により付着塩分量を制御した。試験は最長５２週間行った。付着塩分量は、ここでは例えば０．１mdd、０．２mdd及び０．４mddの３種類について行う。（なお、この試験はα、βを求める際においても同様な条件で行われるものとする。但し、（１）〜（６）の条件である。）
（１）１３℃／９５％×１２ｈ−２０℃／６５％×１２ｈ
（２）２０℃／９５％×１２ｈ−２７℃／６５％×１２ｈ
（３）２５℃／９５％×１２ｈ−３２℃／６５％×１２ｈ
（４）２０℃／９５％×１２ｈ−３５℃／４０％×１２ｈ
（５）２５℃／９５％×１２ｈ−４０℃／４０％×１２ｈ
（６）１３℃／９５％×１２ｈ−２８℃／４０％×１２ｈ
【００３６】
なお、上記の実験の条件は、実環境において、温度が上がると相対湿度が下がる傾向があること、また、その温度範囲や湿度範囲についても上記の範囲内にあること等から設定されている。このため、この試験は所謂促進試験ではなく、実環境と同オーダーの腐食速度が得られるものである。塩分量、温度及び湿度に関して橋梁内桁の腐食をよく再現していることが既に確認されており、以下、再現腐食試験（又は再現試験）と称するものとする。
【００３７】
次に、上記の再現腐食試験のデータに基づいてγを求める方法を説明する。
図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はＳＭＡ、鋼種１及び鋼種２の付着塩分量ごとの腐食量の時間変化を示した特性図である。同図の特性から各付着量に対応したＡ値が求められる。
【００３８】
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、横軸に上記付着塩分量を、縦軸に付着塩分量に対応したＡ値をとり、その両対数をプロットした特性図であり、直線の傾きがγとなる。何れの鋼種においても、γ＝０．９の値が得られた。
【００３９】
次に、係数α及びβを求める方法について説明する。α及びβは、同一の付着塩分量でいくつかの腐食条件について連立方程式を当てることにより求められる。以下、具体的に説明する。上記の（３）式の塩分量は飛来塩分量であるが、再現腐食試験では付着塩分量であり、ともに単位はｍｄｄであるが、同じ数値でも影響度は異なる。そのため、再現試験で得られるα、βはα’、β’とおいて区別するが、α／βはα’／β’とは等しい。
【００４０】
同一付着塩分量で、かつ上記の（１）〜（６）の試験条件について、乾燥ステップ、湿潤ステップの腐食量の和が試験で得られる腐食量となる。再現試験では塩分は付着塩分で与えられるが、上記の（３）式の塩分の変数は飛来塩分であり、上述のように、ともに単位はmdd であるが、同じ数値でも影響度は異なる。上記の（３）式の飛来塩分に相当する量がわからないので、ここではSa’とおいて、計算する。なお、Ａ値が０．０３より大きいか小さいかでγが変わるので、Ａ値が０．０３超/以下でそれぞれα、βを設定する。
【００４１】
例えば、付着塩分が0.4mddで、13℃/95%×12h-20℃/65%×12hの試験の場合には、付着塩分は0.4mddでは、図９からγ＝０．９であるので、これを用いる。
A' = (α'T+β')・Pw（T, H）・(Saγ)に塩分、温度、湿度を代入して、
乾燥ステップの腐食量 A'(13℃/95%、0.4mdd、乾燥) = (13α'+β')・Pw(13, 95)（Sa’0.9）
湿潤ステップの腐食量 A'(20℃/65%、0.4mdd、湿潤) = (20α'+β')・Pw(20, 65)（Sa’0.9）
である。
A'(13℃/95%×12h-20℃/65%×12h、0.4mdd) =（乾燥ステップの腐食量）+（湿潤ステップの腐食量）＝｛(13α'+β')・Pw(13, 95)+(20α'+β')・Pw(20, 65)}（Sa’0.9）
＝[{Pw(13, 95)*13+Pw(20, 65)*20}α'+{Pw(13, 95)+Pw(20, 65)}β']（Sa’0.9）
【００４２】
同じ0.4mddの塩分を載せた再現試験では、Saの値は不明であるが、載せた塩分量が同じであることから、少なくともSaを同じと見なすことができる。他の試験も同様に下記のように求めることができる。上記の式の下線部のA’の比から
{Pw(13,95)*13+Pw(20,65)*20}α'+{Pw(13,95)+Pw(20,65)}β'=1
{Pw(20,95)*20+Pw(27,65)*27}α'+{Pw(20,95)+Pw(27,65)}β'=1.403
{Pw(25,95)*25+Pw(32,65)*32}α'+{Pw(25,95)+Pw(32,65)}β'=1.661
{Pw(25,95)*25+Pw(40,40)*40}α'+{Pw(25,95)+Pw(40,40)}β'=0.858
のようになる。ここで腐食量として、Ａ値比（基準条件のＡ値に対する相対値）をとっている。同一付着塩分量でいくつかの試験条件について同様の方程式を立て、２元連立１次方程式を解く。数学的には２試験条件あればα'、β'が得られるが、精度を上げるために４試験条件を用いて、1 次回帰によりα'、β'を求める。得られたα'、β'を用いてＡ値比を求める。ＳＭＡについて得られたα'、β'を用い、全国４１橋試験の暴露地の飛来塩分量、年平均温度・湿度（最寄の気象庁観測所データ）を代入して、
A'(予測値)= (α'T1+β')・Pw（T1, H1）・（Sa10.9）
を求め、暴露試験から得られたＡ値との関係を図１０（Ｂ）に示す。両者の回帰式を求め、その1 次係数の比Ａ'/Ａ = 1.895 が得られた。Pw（T1, H1）・（Sa10.9）= K1
とおくと、
A'(予測値)= (α'T１+β')・Pw（T1, H1）・(Sa10.9)＝(α'T1+β') K1
A(実測値)= (αT1+β)・Pw（T1, H1）・(Sa10.9)＝(αT1+β)K1
任意のT1で成立するためには、
A'/A=α'/α=β'/β=1.895＝ｋ
【００４３】
一方、A≦0.03のときは、γ＝0.487として、同様に再現腐食試験の結果より方程式をたて、1 次回帰によりα'、β'を求める。さらに図１０（Ａ）より、A'/A = 4.658が得られた。A'/A=α'/α=β'/β=4.658
【００４４】
鋼種１及び鋼種２についても、同様に、これまでの再現腐食試験の結果から
A＞0.03のとき、γ＝0.9
A≦0.03のとき、γ＝0.487
で分類して、試験条件に毎の方程式をたて、1 次回帰によりα'、β'を求め、以下同様ににしてA'/A=α'/α=β'/βがそれぞれ求められる。
【００４５】
表１は、以上から得られた各耐候性鋼の腐食量予測式の係数、べき数を纏めたものである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
上記の（３）式に、表１に示された係数及びべき数と該当する地域の環境データを当てはめるとＡ値が求められ、そのＡ値を（２）式に当てはめてＢ値を求め、そのＡ値及びＢ値を鋼材の腐食量予測式に当てはめることにより寿命予測が可能になる。
【００４８】
図１１は全国４１箇所の暴露試験地におけるＡ値及びその予測値をプロットした特性図である。同図から暴露試験によるＡ値とその予測値Ａとは良く一致していることが分かる。図１２は全国４１箇所の暴露試験地の飛来塩分量、年平均温度・湿度（最寄の気象庁観測所データ）を予測式に代入して得られた９年の板厚減少量を、暴露試験結果と合わせて図示した特性図である。図１３は上記の予測式による板厚減少量と暴露試験結果との相関を示した特性図である。
図１２及び図１３の特性から、予測式による板厚減少量と暴露試験結果とが良く一致しており、本実施形態２の予測方法の有用性が確認できる。
【００４９】
図１４は上述の予測式に基づいて予測した100年後の腐食量予測値と、実暴露データの1,3,5,7,9年の値から直接Y=AXBにより回帰して求めた100年後の値とを比較した特性図であるる。図１４に示されるように、正規確率紙で良い直線性を示し、正規分布に従うことがわかる。これによりもとめた標準偏差σはσ＝0.301（≒0.3）となった。したがって、直接回帰した値に対する本腐食量予測式の予測値の精度として、予測値に付帯して表すことができる。
【００５０】
以上のように本実施形態２においては実験室において該当地域における環境条件（温度、湿度、付着塩分量）を設定して、Ａ値を求めるようにしているが、このＡ値は暴露試験結果と一致しているので、暴露試験を行わずに実験室の試験結果だけでも高精度にＡ値が求められるので、Ｂ値も上記の（２）式により求められ、鋼材の寿命を定量的に求めることができる。
【００５１】
実施形態３．
なお、上述の実施形態１及び２においては、Ａ値を求めるのに、何れも暴露試験又は実験室での実験を１年程度行う例について説明したが、それよりも期間が短い期間の試験結果であってもよく、例えば数ケ月程度の試験結果に外挿法を適用することにより１年間分の腐食量を求めることにより（予測することにより）Ａ値を求めることができる。
【００５２】
また、上述の実施形態１及び／又は２により、各種の鋼材について、各地域におけるＡ値及びＢ値を求めてデータベース化しておくことで、例えば鋼材の種類び場所の情報を入力することにより、その鋼材の寿命を簡単に予測することができるようになる。
【００５３】
実施形態４．
上記のように寿命予測が鋼材に、例えば各部位の腐食の進行を予測したデータを添付することにより、実構造の設計の際に利用に供することが可能になっている。なお、このデータの添付とは紙などだけでなく、電子データとして管理する状態も含むものである。また、鉄骨構造物の設計に際して、このような寿命予測がなされた鋼材を適宜選択して設計することにより構造物の寿命についても適切に予測することが可能になっている。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係を示した特性図。
【図２】ＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＡ値の特性図。
【図３】ＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＢ値の特性図。
【図４】ＳＭＡ実暴露の試験データ（９年間）により求めたＡ値とＢ値との相関関係を示した特性図。
【図５】種々の飛来塩分量の異なる環境で実施した暴露試験結果から１００年後の板厚減少量を予測した結果を示した特性図。
【図６】ＳＭＡの実暴露試験の試験データを示した特性図。
【図７】Ｎｉ系高耐候性鋼の試験（実験室）の試験データを示した特性図。
【図８】ＳＭＡ、鋼種１及び鋼種２の付着塩分量ごとの時間変化を示した特性図。
【図９】横軸に上記付着塩分量を、縦軸に付着塩分量に対応したＡ値をとり、その両対数をプロットした特性図。
【図１０】Ａ’値と暴露試験から得られたＡ値との関係を示した特性図。
【図１１】全国４１箇所の暴露試験地におけるＡ値及びその予測値をプロットした特性図。
【図１２】全国４１箇所の暴露試験地の飛来塩分量、年平均温度・湿度（最寄りの気象庁観測所データ）を予測式に代入して得られた９年の板厚減少量を、暴露試験結果と合わせて図示した特性図。
【図１３】上記の予測式による板厚減少量と暴露試験結果との相関を示した特性図。
【図１４】本実施形態１による１００年後の腐食量予測値と、Ｙ＝ＡＸBにより１００年後の回帰をしたときの値の差を分布を示した図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造用鋼材特に耐候性に優れた鋼材の寿命予測方法、その鋼材及び構造物の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築・土木分野で使用される鋼材として、ＳＳ、ＳＭと呼ばれる普通鋼とともに、無塗装で使用されるＳＭＡと呼ばれる耐候性鋼があり、最近ではＮｉ系高耐候性鋼等がある。これらの材料を用いた構造物の適用基準は、これまでには
(１）飛来海塩による地域区分 耐候性鋼
(２）鉄骨構造建築物の耐久性向上技術 普通鋼
(３）当該鋼種の暴露試験 任意の鋼種
(４）腐食量予測式 耐候性鋼
等があり、これらは必要に応じて使い分けられている。
【０００３】
上記の（１）及び（２）は従来の暴露結果を纏め上げたもので、適用可否判断が瞬時に可能である。上記の（３）の暴露試験による鋼材の腐食量は、
Ｙ＝ＡＸB、Ｙ：腐食量、Ｘ：年数
の式で表されることが知られている。その腐食量のしきい値Ｙ1imを設定することにより、そのときのＸ1im年を寿命とする方法である。腐食寿命の判断の目安は、例えば１００年の推定片側板厚減少量が０．５mm以下である。この式のＡ、Ｂは環境や鋼種によって変化するため、Ａ、Ｂを決定するために、実環境又は実環境に近い環境に試験片を暴露し、試験片の腐食量の経年変化（Ｘ，Ｙ）から累乗近似する方法が用いられている。
【０００４】
ところで、腐食速度は、海塩量や亜硫酸ガス量によって影響を受けることが多数の文献に示されている。また、腐食現象は基本的には水溶液中の化学反応であるので、気温、湿度や、濡れ時間にも依存する。したがって、これらの環境因子をパラメータとする関数として記述することができる。
【０００５】
上記の（４）の予測方法に関して、建設省（当時）土木研究所においては、ＳＭＡ（ＪＩＳ規格の耐候性鋼）に関し、暴露試験の結果から、上記のＡ，Ｂを次のように決定している（例えば非特許文献１）。
Ａ＝ＣＳaγ Ｓa：飛来塩分量、Ｃ，γ：回帰係数
Ｂ＝０．７３
即ち、Ａは飛来塩分と相関があるとし、Ｂは鋼種・暴露方向、設置場所等によらず０．７３としている。
【０００６】
また、上記（４）の予測方法に関して、例えば次のように求める方法も提案されている（例えば特許文献１）。この方法では腐食性指標Ｚの２次回帰式から初年度腐食量を推定している。
Ｚ=α・ＴＯＷ・exp（-κ・W）・（C+δ・S）/（1+ε・C・S）・exp（-Ea/RT）
α＝106, κ＝-0.1, δ＝0.05, ε＝10.0, Ea＝50ｋJ/mol・K
Ｚ：腐食性指標，R：気体定数, C：飛来塩分, S：硫黄酸化物量,
TOW：年間濡れ時間（ｈ）、W：年平均風速（ｍ/sec），Ｔ：年平均気温（Ｋ）
【非特許文献１】「耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書(XVIII)」（建設省土木研究所，（社）鋼材倶楽部，（社）日本橋梁建設協会、平成５年３月発行）
【特許文献１】国際公開03/006957号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来の寿命予測方法の内、上記の（１）及び（２）の方法は鋼種が限定される上、或る時点でのその材料の適用可否を判断するだけであって、鋼種の選定は出来なかった。一方、上記の（３）の方法は、各鋼種の調査を行なうことによって鋼種の選定が可能である。しかしながら、新たな高耐候性を有する鋼が開発された場合には、開発後にただちに暴露試験を長期間種々の場所で行って、検量線あるいは式を作成しなければならない。また、上記の（３）の方法では、未知数Ａ，Ｂ２つを決定するために、最低２点以上の腐食量データが必要である。日本では四季があり、腐食は季節によって進行速度が異なるために、最低２年間の計測を必要とする。更に、近年、土木建築用鋼材の長寿命化が叫ばれており、例えば１００年といった長期寿命を精度よく予測するには、実質５〜２０年といった長期試験を行なっており、実際に用いられるまでに時間がかかるという課題があった。また、上記の（４）の寿命予測方法においては、架設地の環境の影響は取り入れて式を構成しているものの、長期の暴露試験が必要であり、更に、非特許文献１の方法ではＢを一定としているので、さびの保護性に必要な飛来塩分量や鋼種の影響が反映されていない、という問題点があった。
【０００８】
また、上記の特許文献１において提案されている方法では、 Ｓ（硫黄酸化物量）を予測式のパラメータとしているが、Ｓ（硫黄酸化物量）と板厚減少量との間には有意な相関が見られないことが知られている。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、各種鋼材の長期の腐食量を短期の腐食データにより高精度に予測することを可能にした鋼材の寿命予測方法、その鋼材及び構造物の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地における暴露試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求める。
【００１１】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地の環境を模擬した実験室での試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求める。
【００１２】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記Ａ値を次式により表現し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求める。
Ａ＝ＣＳaγ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｈ：相対湿度（％），Ｓａ：飛来塩分量（mdd），
Ｐw（Ｔ，Ｈ）：濡れ確率、α，β，γ：鋼種に応じて設定された係数
【００１３】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び濡れ確率Ｐwとによって前記Ａ値を求める。
【００１４】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記Ａ値を次式により特定し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求める。
Ａ＝ｋ（α・Ｔ＋β）・ＴＯＷ・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｓa：飛来塩分量（mdd），
ＴＯＷ：年間濡れ時間（ｈ）、ｋ：係数、
α，β，γ：鋼種に応じて設定された係数
【００１５】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、及び年間濡れ時間ＴＯＷとによって、前記Ａ値を求める。
【００１６】
本発明に係る鋼材の寿命予測方法は、前記実験室での試験に基づいて求められたＡ値を補正して前記腐食量予測式のＡ値とする。
【００１７】
本発明に係る鋼材は、上記の寿命予測方法により寿命が予測された鋼材であって、腐食の進行を予測したデータが添付されているものである。
【００１８】
本発明に係る鋼材において、各部位の腐食の進行を予測したデータが板厚減少量である。
【００１９】
本発明に係る構造物の設計方法は、上記の鋼材から実構造に適用する鋼材を選定し、設計する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、短期間の暴露試験又は実験室での実験により腐食量予測式の材料特性及び環境特性に関するデータ（Ａ値及びＢ値）を算出できるようにしたので、短期間の測定により腐食量予測ができるようになった。更に、短期間で腐食量の予測ができるので、各種鋼材選定の信頼性が向上し、構造物の最適設計を図ることができ、また、メンテナンス費用を最小に押さえ込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施形態１．
本発明の実施形態１として、鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）のＡ値，Ｂ値を短期間の暴露試験により求めて、鋼材の寿命予測をする予測方法を説明するが、それに先だって、まず、本実施形態１に係る寿命予測方法の計測原理を説明する。
図１は期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係を示した特性図であり、腐食寿命の判断の目安は、例えば１００年の推定片側板厚減少量が０．５mm以下である。この期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係は、上述のように次式により表される。なお、Ａ値はその環境での鋼材自体の耐食性を示しており、Ｂ値はさびの保護性を表している。鋼材の耐食性が高ければ図１の特性の初期の傾きは小さく、さびの保護性が高ければ腐食量Ｙの長期の年数経過後の値は小さな値を示す。
Ｙ＝ＡＸB、Ｙ：腐食量、Ｘ：年数 …（１）
【００２２】
図２はＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＡ値の特性図である。上記の（１）式において、Ｘ＝１のときに、Ｙ＝Ａとなるため、Ａ値は１年分の板厚減少量（腐食量）に相当するものであり、図２の縦軸のＡ値（１年）は１年分の板厚減少量により求められたＡ値を示している。また、横軸のＡ値（〜９年）は暴露試験を９年間行ったときに、各経過年の板厚減少量に基づいて求められたＡ値を示している。図２の特性から明らかなように、暴露期間が９年の試験データによって求められたＡ値（Ａ値（〜９年））と、暴露期間が１年の試験データによって求められたＡ値（Ａ値（１年））とは相関があり、Ａ値は短期間の暴露試験により算出が可能であることが分かる。したがって、本実施形態１においてはＡ値を短期間の暴露試験により算出するものとする。
【００２３】
図３はＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＢ値の特性図であり、暴露期間が９年の試験データによって求められたＢ値と、暴露期間が１年の試験データによって求められたＢ値との相関関係を示している。図３の特性から明らかなように、暴露期間が９年の試験データによって求められたＢ値と、暴露期間が１年の試験データによって求められたＢ値とは相関がなく、Ｂ値は短期間の暴露試験により算出ができないことが分かる。
【００２４】
図４はＳＭＡ実暴露の試験データ（９年間）により求めたＡ値とＢ値との相関関係を示した特性図ある。この特性図からＢ値はＡ値で回帰することができ、極小値をとる次の３次式で表現される。なお、Ａが小さいところでも、長期になれば、さびが成長し、B値が小さくなっていくことから、独自の解析により、
Ａ≦０．０３のとき、
Ｂ＝０．５〜０．７、望ましくは０．６（理論的には放物線則0.5乗と考えられ
るが、実際に形成れるさびは完全に緻密でないため、０．５〜０．７で変
動する。）
０．０３＜Ａ＜０．０８３のとき、
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ＋１．０１０９
０．０８３≦Ａのとき、
Ｂ＝０．９〜１．１、望ましくは１ …（２）
なるＳ字の関係が、成り立つことを見出した。
ただし、より簡便とするためにＡ≦０．０３のときにおいても
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ＋１．０１０９
としてもよい。
【００２５】
上記のＡ値はその環境での鋼材自体の耐食性を示す係数であるが、腐食環境にも依存する性質をもっており、腐食環境の影響はＡ値にも含まれている。Ａ値が小さい範囲では、安定さびが形成されるためＢ値は一定値となるが、腐食環境の厳しさがある量を超えると（例えばＡ＝０．０３程度）、さびが剥がれやすくなり安定化しないためＢ値は上昇し、Ｂ＝１となって腐食曲線は直線のままとなる。但し、Ａ値が小さい範囲において、暴露年数が短い鋼材ではさびの生成量が少ないため保護効果が小さく、Ｂ値が高い値となる場合もある。このＳＭＡのデータに鋼種１（１．５Ｎｉ−０．３Ｍｏ鋼）及び鋼種２（２．５Ｎｉ−極低Ｃ鋼）の実暴露の試験データ（２年間）をプロットすると、この場合においても上記の関係式と合致していることが分かる。したがって、この関係式から鋼種に関係なく、Ｂ値をＡ値から求めることが可能であることが分かる。
【００２６】
したがって、本実施形態１においては、或る鋼種のある環境における腐食寿命の予測を行う場合には次の（ａ）〜（ｄ）の処理により寿命予測を行う。
（ａ）構造物の架設地又は建設地において例えば１年間の暴露試験を行う。
（ｂ）その暴露試験の結果（腐食量）からＡ値を求める。
（ｃ）上記Ａ値を上記の関係式（（２）式）に当てはめてＢ値を求める。
（ｄ）上記のＡ値及びＢ値を鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸBに適用して、Ｘ年後の腐食量を求める。
このように処理することにより、１年間程度の暴露試験で腐食寿命の予測が可能となる。
【００２７】
図５は種々の飛来塩分量の異なる環境で実施した暴露試験結果から、鋼種１（１．５Ｎｉ−０．３Ｍｏ鋼）及び鋼種２（２．５Ｎｉ−極低Ｃ鋼）について、Ａ値及びＢ値を求めて鋼材の腐食量予測式に当てはめて、その飛来塩分量の環境における１００年後の板厚減少量を予測した結果を示した特性図である。同図から、１００年推定板厚減少量が０．５mmとなる飛来塩分量、すなわち耐塩限界が以下のように求まる。この耐塩限界を超えると両鋼材とも急激に腐食量が増加している。
鋼種１＝０．４mdd（：mg/dm2/day）、鋼種２＝０．６mdd
【００２８】
このように、その鋼種の適用限界の腐食環境も推定することが可能となる。また、Ｙ＝ＡＸB に、Ｘ＝１００年、Ｙ＝０．５mmを代入してＡ値を求めると、Ａ＝０．０３が得られる。すなわち、その環境での１年の板厚減少量０．０３mmが、適用可否判断の目安となることも分かる。
【００２９】
以上のように、本実施形態１においては、例えば１年間の暴露試験によりＡ値を求め、更にそのＡ値を上記の関係式（（２）式）に適用してＢ値を求め、更に、これらＡ値及びＢ値を上記の鋼材の腐食量予測式（（１）式）に適用してＸ年後の腐食量Ｙを予測することができるようになったので、短期間の暴露試験で腐食量を高精度に予測することが可能になっている。
【００３０】
実施形態２．
上記の実施形態１においては、Ａ値を実暴露試験のデータに基づいて求める例について説明したが、本実施形態２においては、主として、実験室での試験によって求めるようにしている。したがって、本実施形態２においては、上記の（１）式及び（２）式はそのまま用いるが、Ａ値は種々の環境因子の関数として次の（３）式のように表現するものとする。即ち、Ａ値を、鋼種に特有な係数α、β、γと環境データ（Ｓａ，Ｔ，Ｐw（Ｔ，Ｈ））とによって表現しており、鋼種に特有なα、β、γが求められれば、架設地又は建設地の環境データを当てはめることで自動的にＡ値が求まることになる。
Ｙ＝Ａ・ＸB …（１）
Ｂ＝ｆ（Ａ）：
Ａ≦0.03のとき、Ｂ=0.6（０．５〜０．７の範囲内で設定）
0.03<Ａ<0.083のとき、
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ
＋１．０１０９
0.083≦Ａのとき、Ｂ＝１（０．９〜１．１の範囲内で設定） …（２）
ただし、より簡便とするめにＡ≦０．０３のときにも
Ｂ=−４６１１．３Ａ3＋７６９．１９Ａ2−３２．４２１Ａ
としてもよい。
Ａ＝ＣＳaγ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ） …（３）
Ｘ：暴露時間（ｙ），Ｙ：板厚減少量（mm）
Ｔ：温度（℃），Ｈ：相対湿度（％），Ｓａ：飛来塩分量（mdd），
Ｐw（Ｔ，Ｈ）：濡れ確率、α、β、γ：鋼種に応じて設定された係数
【００３１】
上記（３）式において、温度Ｔに関する項は、実際の対象となる温度範囲が比較的狭いので、直線近似にしてある。また、湿度Ｈに関する項は、腐食量が濡れ時間に比例すると考え、KuceraらがＩＳＯに提案した濡れ確率関数を導入した（Kucera, Tidblad, Mikhailov: ISO/TC156/WG4-N314, Annex A (1999)）。年間の濡れ時間は８７６６ｈ×（濡れ確率）である。なお、この濡れ確率Ｐｗ（Ｔ，Ｈ）は、kuceraの式によると、濡れ確率Ｐw（Ｔ，Ｈ）＝N (T；0；9.96)*β(H/100；4.67；1.78)で表される。
【００３２】
また、濡れ確率Ｐw（Ｔ，Ｈ）と年間濡れ時間TOWとは、
TOW＝8766×Ｐw（Ｔ，Ｈ）
で表されるから、上記（３）式は年間濡れ時間TOWの関数として次のように表される。
Ａ＝ｋ（α・Ｔ＋β）・ＴＯＷ・（Ｓaγ） …（３ａ）
ＴＯＷ：年間濡れ時間（ｈ）、ｋ：係数
【００３３】
なお、上記の温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び飛来塩分量Ｓaは、例えば橋梁が設置される環境の値である。飛来塩分量Ｓaには、その環境での風の影響や方向（どの方角を向いているか）、橋桁の高さ等の影響が含まれた値であり、事前に測定されたものである。例えば日本のある地点（緯度・経度又は住所）を決定すれば、その位置情報に対応した温度Ｔ、相対湿度Ｈ、飛来塩分量Ｓaを求めることができる。例えば地点情報と温度Ｔ、相対湿度Ｈの気象庁データ平年値とが既にデータベース化されており、それらのデータベースを利用することにより必要な情報が得られる。また、飛来塩分量Ｓaについては、約３００地点での測定データを集約した関係式（各地方の飛来海塩量・離岸距離の関係。具体的にはＳa＝Ｓa0・Ｌ-0.6、Ｌ：離岸距離）があり、この関係式を用いることにより、該当地点における飛来塩分量Ｓaを求めることができる。なお、これらのデータをデータベースから入手できない場合には、該当する地点において実測により求めてもよい。このようにして、該当する地点における温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び飛来塩分量Ｓaを求めることができるので、係数α、β、γを実験室での試験で決定することができれば、Ａ値が求まり、Ｂ値はＡ値の関数であり、Ｙ＝ＡＸBによりＹ（板厚減少量）を求めることができる。
【００３４】
次に、上記のγの求め方について説明する。上記のγは、Ａ≦０．０３とＡ＞０．０３とではその値が異なる。Ａ≦０．０３のときには、例えばＳＭＡに関しては、図６の暴露試験結果（「耐候性鋼材の橋梁への適用に関する共同研究報告書(XVIII)」（建設省土木研究所，（社）鋼材倶楽部，（社）日本橋梁建設協会、平成５年３月発行）によれば、γ＝０．４８７が得られている。また、Ｎｉ系耐候性鋼については発明者らが独自に暴露試験を行ったところ、図７に示される特性が得られ、γ＝０．４８７が得られている。両データが一致しており、信頼性が高いものであることが分かる。よって、Ａ≦０．０３では鋼種によらずγ＝０．４９で一定値とした。
【００３５】
また、Ａ＞０．０３のときの上記のγは、恒温恒湿槽（ADVANTEC製 AGX-325）内での乾湿繰り返し試験により決定した。周期は２４ｈで、乾湿サイクルは次の６条件である。乾湿の移行時間は１ｈであり、これは１２ｈの中に含まれる。塩分付着はマイクロピペットを用いてＮａＣｌ水溶液を滴下した。滴下量は４０μＬ／ｃｍ2とし、水溶液濃度により付着塩分量を制御した。試験は最長５２週間行った。付着塩分量は、ここでは例えば０．１mdd、０．２mdd及び０．４mddの３種類について行う。（なお、この試験はα、βを求める際においても同様な条件で行われるものとする。但し、（１）〜（６）の条件である。）
（１）１３℃／９５％×１２ｈ−２０℃／６５％×１２ｈ
（２）２０℃／９５％×１２ｈ−２７℃／６５％×１２ｈ
（３）２５℃／９５％×１２ｈ−３２℃／６５％×１２ｈ
（４）２０℃／９５％×１２ｈ−３５℃／４０％×１２ｈ
（５）２５℃／９５％×１２ｈ−４０℃／４０％×１２ｈ
（６）１３℃／９５％×１２ｈ−２８℃／４０％×１２ｈ
【００３６】
なお、上記の実験の条件は、実環境において、温度が上がると相対湿度が下がる傾向があること、また、その温度範囲や湿度範囲についても上記の範囲内にあること等から設定されている。このため、この試験は所謂促進試験ではなく、実環境と同オーダーの腐食速度が得られるものである。塩分量、温度及び湿度に関して橋梁内桁の腐食をよく再現していることが既に確認されており、以下、再現腐食試験（又は再現試験）と称するものとする。
【００３７】
次に、上記の再現腐食試験のデータに基づいてγを求める方法を説明する。
図８（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はＳＭＡ、鋼種１及び鋼種２の付着塩分量ごとの腐食量の時間変化を示した特性図である。同図の特性から各付着量に対応したＡ値が求められる。
【００３８】
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、横軸に上記付着塩分量を、縦軸に付着塩分量に対応したＡ値をとり、その両対数をプロットした特性図であり、直線の傾きがγとなる。何れの鋼種においても、γ＝０．９の値が得られた。
【００３９】
次に、係数α及びβを求める方法について説明する。α及びβは、同一の付着塩分量でいくつかの腐食条件について連立方程式を当てることにより求められる。以下、具体的に説明する。上記の（３）式の塩分量は飛来塩分量であるが、再現腐食試験では付着塩分量であり、ともに単位はｍｄｄであるが、同じ数値でも影響度は異なる。そのため、再現試験で得られるα、βはα’、β’とおいて区別するが、α／βはα’／β’とは等しい。
【００４０】
同一付着塩分量で、かつ上記の（１）〜（６）の試験条件について、乾燥ステップ、湿潤ステップの腐食量の和が試験で得られる腐食量となる。再現試験では塩分は付着塩分で与えられるが、上記の（３）式の塩分の変数は飛来塩分であり、上述のように、ともに単位はmdd であるが、同じ数値でも影響度は異なる。上記の（３）式の飛来塩分に相当する量がわからないので、ここではSa’とおいて、計算する。なお、Ａ値が０．０３より大きいか小さいかでγが変わるので、Ａ値が０．０３超/以下でそれぞれα、βを設定する。
【００４１】
例えば、付着塩分が0.4mddで、13℃/95%×12h-20℃/65%×12hの試験の場合には、付着塩分は0.4mddでは、図９からγ＝０．９であるので、これを用いる。
A' = (α'T+β')・Pw（T, H）・(Saγ)に塩分、温度、湿度を代入して、
乾燥ステップの腐食量 A'(13℃/95%、0.4mdd、乾燥) = (13α'+β')・Pw(13, 95)（Sa’0.9）
湿潤ステップの腐食量 A'(20℃/65%、0.4mdd、湿潤) = (20α'+β')・Pw(20, 65)（Sa’0.9）
である。
A'(13℃/95%×12h-20℃/65%×12h、0.4mdd) =（乾燥ステップの腐食量）+（湿潤ステップの腐食量）＝｛(13α'+β')・Pw(13, 95)+(20α'+β')・Pw(20, 65)}（Sa’0.9）
＝[{Pw(13, 95)*13+Pw(20, 65)*20}α'+{Pw(13, 95)+Pw(20, 65)}β']（Sa’0.9）
【００４２】
同じ0.4mddの塩分を載せた再現試験では、Saの値は不明であるが、載せた塩分量が同じであることから、少なくともSaを同じと見なすことができる。他の試験も同様に下記のように求めることができる。上記の式の下線部のA’の比から
{Pw(13,95)*13+Pw(20,65)*20}α'+{Pw(13,95)+Pw(20,65)}β'=1
{Pw(20,95)*20+Pw(27,65)*27}α'+{Pw(20,95)+Pw(27,65)}β'=1.403
{Pw(25,95)*25+Pw(32,65)*32}α'+{Pw(25,95)+Pw(32,65)}β'=1.661
{Pw(25,95)*25+Pw(40,40)*40}α'+{Pw(25,95)+Pw(40,40)}β'=0.858
のようになる。ここで腐食量として、Ａ値比（基準条件のＡ値に対する相対値）をとっている。同一付着塩分量でいくつかの試験条件について同様の方程式を立て、２元連立１次方程式を解く。数学的には２試験条件あればα'、β'が得られるが、精度を上げるために４試験条件を用いて、1 次回帰によりα'、β'を求める。得られたα'、β'を用いてＡ値比を求める。ＳＭＡについて得られたα'、β'を用い、全国４１橋試験の暴露地の飛来塩分量、年平均温度・湿度（最寄の気象庁観測所データ）を代入して、
A'(予測値)= (α'T1+β')・Pw（T1, H1）・（Sa10.9）
を求め、暴露試験から得られたＡ値との関係を図１０（Ｂ）に示す。両者の回帰式を求め、その1 次係数の比Ａ'/Ａ = 1.895 が得られた。Pw（T1, H1）・（Sa10.9）= K1
とおくと、
A'(予測値)= (α'T１+β')・Pw（T1, H1）・(Sa10.9)＝(α'T1+β') K1
A(実測値)= (αT1+β)・Pw（T1, H1）・(Sa10.9)＝(αT1+β)K1
任意のT1で成立するためには、
A'/A=α'/α=β'/β=1.895＝ｋ
【００４３】
一方、A≦0.03のときは、γ＝0.487として、同様に再現腐食試験の結果より方程式をたて、1 次回帰によりα'、β'を求める。さらに図１０（Ａ）より、A'/A = 4.658が得られた。A'/A=α'/α=β'/β=4.658
【００４４】
鋼種１及び鋼種２についても、同様に、これまでの再現腐食試験の結果から
A＞0.03のとき、γ＝0.9
A≦0.03のとき、γ＝0.487
で分類して、試験条件に毎の方程式をたて、1 次回帰によりα'、β'を求め、以下同様ににしてA'/A=α'/α=β'/βがそれぞれ求められる。
【００４５】
表１は、以上から得られた各耐候性鋼の腐食量予測式の係数、べき数を纏めたものである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
上記の（３）式に、表１に示された係数及びべき数と該当する地域の環境データを当てはめるとＡ値が求められ、そのＡ値を（２）式に当てはめてＢ値を求め、そのＡ値及びＢ値を鋼材の腐食量予測式に当てはめることにより寿命予測が可能になる。
【００４８】
図１１は全国４１箇所の暴露試験地におけるＡ値及びその予測値をプロットした特性図である。同図から暴露試験によるＡ値とその予測値Ａとは良く一致していることが分かる。図１２は全国４１箇所の暴露試験地の飛来塩分量、年平均温度・湿度（最寄の気象庁観測所データ）を予測式に代入して得られた９年の板厚減少量を、暴露試験結果と合わせて図示した特性図である。図１３は上記の予測式による板厚減少量と暴露試験結果との相関を示した特性図である。
図１２及び図１３の特性から、予測式による板厚減少量と暴露試験結果とが良く一致しており、本実施形態２の予測方法の有用性が確認できる。
【００４９】
図１４は上述の予測式に基づいて予測した100年後の腐食量予測値と、実暴露データの1,3,5,7,9年の値から直接Y=AXBにより回帰して求めた100年後の値とを比較した特性図であるる。図１４に示されるように、正規確率紙で良い直線性を示し、正規分布に従うことがわかる。これによりもとめた標準偏差σはσ＝0.301（≒0.3）となった。したがって、直接回帰した値に対する本腐食量予測式の予測値の精度として、予測値に付帯して表すことができる。
【００５０】
以上のように本実施形態２においては実験室において該当地域における環境条件（温度、湿度、付着塩分量）を設定して、Ａ値を求めるようにしているが、このＡ値は暴露試験結果と一致しているので、暴露試験を行わずに実験室の試験結果だけでも高精度にＡ値が求められるので、Ｂ値も上記の（２）式により求められ、鋼材の寿命を定量的に求めることができる。
【００５１】
実施形態３．
なお、上述の実施形態１及び２においては、Ａ値を求めるのに、何れも暴露試験又は実験室での実験を１年程度行う例について説明したが、それよりも期間が短い期間の試験結果であってもよく、例えば数ケ月程度の試験結果に外挿法を適用することにより１年間分の腐食量を求めることにより（予測することにより）Ａ値を求めることができる。
【００５２】
また、上述の実施形態１及び／又は２により、各種の鋼材について、各地域におけるＡ値及びＢ値を求めてデータベース化しておくことで、例えば鋼材の種類び場所の情報を入力することにより、その鋼材の寿命を簡単に予測することができるようになる。
【００５３】
実施形態４．
上記のように寿命予測が鋼材に、例えば各部位の腐食の進行を予測したデータを添付することにより、実構造の設計の際に利用に供することが可能になっている。なお、このデータの添付とは紙などだけでなく、電子データとして管理する状態も含むものである。また、鉄骨構造物の設計に際して、このような寿命予測がなされた鋼材を適宜選択して設計することにより構造物の寿命についても適切に予測することが可能になっている。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係を示した特性図。
【図２】ＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＡ値の特性図。
【図３】ＳＭＡ実暴露の試験データにより求めたＢ値の特性図。
【図４】ＳＭＡ実暴露の試験データ（９年間）により求めたＡ値とＢ値との相関関係を示した特性図。
【図５】種々の飛来塩分量の異なる環境で実施した暴露試験結果から１００年後の板厚減少量を予測した結果を示した特性図。
【図６】ＳＭＡの実暴露試験の試験データを示した特性図。
【図７】Ｎｉ系高耐候性鋼の試験（実験室）の試験データを示した特性図。
【図８】ＳＭＡ、鋼種１及び鋼種２の付着塩分量ごとの時間変化を示した特性図。
【図９】横軸に上記付着塩分量を、縦軸に付着塩分量に対応したＡ値をとり、その両対数をプロットした特性図。
【図１０】Ａ’値と暴露試験から得られたＡ値との関係を示した特性図。
【図１１】全国４１箇所の暴露試験地におけるＡ値及びその予測値をプロットした特性図。
【図１２】全国４１箇所の暴露試験地の飛来塩分量、年平均温度・湿度（最寄りの気象庁観測所データ）を予測式に代入して得られた９年の板厚減少量を、暴露試験結果と合わせて図示した特性図。
【図１３】上記の予測式による板厚減少量と暴露試験結果との相関を示した特性図。
【図１４】本実施形態１による１００年後の腐食量予測値と、Ｙ＝ＡＸBにより１００年後の回帰をしたときの値の差を分布を示した図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、
前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地における暴露試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求めることを特徴とする鋼材の寿命予測方法。
【請求項２】
構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、
前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地の環境を模擬した実験室での試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求めることを特徴とする鋼材の寿命予測方法。
【請求項３】
前記Ａ値を次式により特定し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求めることを特徴とする請求項２記載の鋼材の寿命予側方法。
Ａ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｈ：相対湿度（％），Ｓa：飛来塩分量（mdd），
Ｐw（Ｔ，Ｈ）：濡れ確率、α、β、γ：鋼種に応じて設定された係数
【請求項４】
前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び濡れ確率ＰWとによって、前記Ａ値を求めることを特徴とする請求項３記載の鋼材の寿命予測方法。
【請求項５】
前記Ａ値を次式により特定し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求めることを特徴とする請求項２記載の鋼材の寿命予側方法。
Ａ＝ｋ（α・Ｔ＋β）・ＴＯＷ・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｓa：飛来塩分量（mdd），
ＴＯＷ：年間濡れ時間（ｈ）、ｋ：係数、
α、β、γ：鋼種に応じて設定された係数
【請求項６】
前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、及び年間濡れ時間ＴＯＷとによって、前記Ａ値を求めることを特徴とする請求項５記載の鋼材の寿命予測方法。
【請求項７】
前記実験室での試験に基づいて求められたＡ値を補正して前記腐食量予測式のＡ値とすることを特徴とする請求項２〜６の何れかに記載の鋼材の寿命予測方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の寿命予測方法により寿命が予測された鋼材であって、腐食の進行を予測したデータが添付されていることを特徴とする鋼材。
【請求項９】
各部位の腐食の進行を予測したデータが板厚減少量であることを特徴とする請求項８記載の鋼材。
【請求項１０】
請求項８又は９の鋼材から、実構造に適用する鋼材を選定し、設計することを特徴とする構造物の設計方法。
【請求項１】
構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、
前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地における暴露試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求めることを特徴とする鋼材の寿命予測方法。
【請求項２】
構造物の鋼材の腐食量予測式Ｙ＝ＡＸB（Ｙ：腐食量、Ｘ：年数、Ａ，Ｂ：材料と環境に依存する係数、べき数）を用いて鋼材の寿命を予測する方法であって、
前記Ａ値を構造物の架設地又は建設地の環境を模擬した実験室での試験に基づいて求め、前記Ｂ値を前記Ａ値の関数として求め、これらのＡ値及びＢ値に基づいて鋼材の腐食量Ｙを求めることを特徴とする鋼材の寿命予測方法。
【請求項３】
前記Ａ値を次式により特定し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求めることを特徴とする請求項２記載の鋼材の寿命予側方法。
Ａ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｈ：相対湿度（％），Ｓa：飛来塩分量（mdd），
Ｐw（Ｔ，Ｈ）：濡れ確率、α、β、γ：鋼種に応じて設定された係数
【請求項４】
前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、相対湿度Ｈ及び濡れ確率ＰWとによって、前記Ａ値を求めることを特徴とする請求項３記載の鋼材の寿命予測方法。
【請求項５】
前記Ａ値を次式により特定し、次式のα、β及びγを前記実験室での試験に基づいて求めることを特徴とする請求項２記載の鋼材の寿命予側方法。
Ａ＝ｋ（α・Ｔ＋β）・ＴＯＷ・（Ｓaγ）
Ｔ：温度（℃），Ｓa：飛来塩分量（mdd），
ＴＯＷ：年間濡れ時間（ｈ）、ｋ：係数、
α、β、γ：鋼種に応じて設定された係数
【請求項６】
前記α、β及びγと、構造物の架設地又は建設地における飛来塩分量Ｓa、年平均の温度Ｔ、及び年間濡れ時間ＴＯＷとによって、前記Ａ値を求めることを特徴とする請求項５記載の鋼材の寿命予測方法。
【請求項７】
前記実験室での試験に基づいて求められたＡ値を補正して前記腐食量予測式のＡ値とすることを特徴とする請求項２〜６の何れかに記載の鋼材の寿命予測方法。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載の寿命予測方法により寿命が予測された鋼材であって、腐食の進行を予測したデータが添付されていることを特徴とする鋼材。
【請求項９】
各部位の腐食の進行を予測したデータが板厚減少量であることを特徴とする請求項８記載の鋼材。
【請求項１０】
請求項８又は９の鋼材から、実構造に適用する鋼材を選定し、設計することを特徴とする構造物の設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−５３１２２（Ｐ２００６−５３１２２Ａ）
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７６１４０（Ｐ２００４−３７６１４０）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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